Корпорация ULA (United Launch Alliance) (США), один из самых известных разработчиков и производителей космической техники в Мире, совместное предприятие «Боинг» и «Локхид Мартин», уже около 2-х лет занимается созданием системы запуска нового поколения Vulcan, которая позволит сделать вывод спутников дешевле и доступнее. Предполагается, что система Vulcan составит серьезную конкуренцию многоразовой ракете Falcon 9v1.1R (R от англ. Reusable, повторно (многократно) используемая) Элона Маска.

Вместо возвращения всей первой ступени инженеры ULA предлагают возвращать только её двигатели. Повторное использование частей ракеты является ключевой составляющей Vulcan. В ULA считают, что повторное использование заключается НЕ в мягкой посадке ВСЕЙ первой ступени. Вместо этого предлагается вернуть лишь небольшую, но самую дорогую часть ступени - двигатели, это проще и дешевле. Один из руководителей ULA по этому поводу сказал следующее: «Не всегда самое тяжёлое в ракете является самым дорогим».

До прихода на рынок запусков Элона Маска ULA была монополистом и заряжала цены на запуски по полной программе, не стесняясь. С приходом Маска цены на запуски значительно снизились (со $110 млн. до $60 млн.) и часть запусков от ULA перешло к Маску, причем существенная часть. Шутки ради можно сказать, что разработка ракеты Vulcan проходит под девизом из Звездных войн: «Империя наносит ответный удар». Читал, что работы по созданию многоразовых ракет начинались в ULA давно, чуть ли не в начале 2000-х, но потом прекратились. Они тогда были монополистами и уменьшать стоимость запуска им не имело никакого смысла. Надо отдать Маску должное – привлек внимание всего Мира к многоразовым ракетам, причем еще как!

Прежде чем продолжить рассказ о ракете Vulcan, хочу напомнить, для тех, кто не в теме, характеристики первой (возвращаемой) ступени ракете Falcon 9v1.1R и технологию возврата. В первой ступени установлены 9 двигателей Merlin 1D, с увеличенными тягой и удельным импульсом. Новый тип двигателя получил способность к дросселированию со 100 % до 70 % и, возможно, ещё ниже. Изменено расположение двигателей: вместо трёх рядов по три двигателя используется компоновка с центральным двигателем и расположением остальных по окружности. Центральный двигатель также установлен немного ниже остальных. Схема получила название Octaweb, она упрощает общее устройство и процесс сборки двигательного отсека первой ступени. Суммарная тяга двигателей — 5885 кН на уровне моря и увеличивается до 6672 кН в вакууме, удельный импульс на уровне моря — 282 с, в вакууме — 311 с. Номинальное время работы первой ступени — 180 с. Высота первой ступени — 45,7 м, сухая масса ступени v1.1 — около 23 т и около 26 т для (R)-модификации. Масса помещаемого топлива — 395 700 кг, из которых 276 600 кг — жидкий кислород и 119 100 кг — керосин. Масса одного двигателя Merlin 1D: 450-490 кг. Масса 9 двигателей составляет примерно 4,5 тонны, это 17,3% от СУХОЙ массы первой ступени. Технология и траектория возврата Falcon 9 v1.1R показана на рис. 1.

Рис. 1 Траектория полета.

Из схемы видно, что для приземления первой ступени на раскладные опоры необходимо развернуть её двигателями вперед, т.е. повернуть вокруг своей оси, а для этого Falcon 9 v1.1 необходимо дополнить оборудованием систем разворота и посадки, что и было сделано:

1. Первая ступень оснащена четырьмя раскладывающимися посадочными стойками, используемыми для мягкой посадки. Суммарная масса стоек достигает 2100 кг (это почти половина веса всех 9 двигателей, ради которых всё это и затевалось).
2. Установлено навигационное оборудование для выхода ступени к точке приземления (надо попасть точно на площадку в ОКЕАНЕ);
3. Три двигателя из девяти предназначены для торможения и получили систему зажигания для повторного запуска;
4. На верхней части первой ступени устанавливаются складные решетчатые титановые рули для стабилизации вращения и улучшения управляемости на этапе снижения, особенно в то время, когда двигатели будут отключены. Титановые рули немного длиннее и тяжелее своих алюминиевых предшественников, они повышают возможности контроля ступени, выдерживают высокую температуру без необходимости нанесения абляционного покрытия и могут быть использованы неограниченное количество раз без межполётного обслуживания.
5. В верхней части ступени установлена система ориентации — набор газовых сопел, использующих энергию сжатого азота для контроля положения ступени в пространстве до выпуска решетчатых рулей. На обеих сторонах ступени расположен блок, каждый по 4 сопла, направленные вперёд, назад, в сторону и вниз. Сопла, направленные вниз, используются перед запуском трёх двигателей Merlin при манёврах торможения ступени в космосе, производимый импульс опускает топливо в нижнюю часть баков, где оно захватывается насосами двигателей. Титановые решётчатые рули и блок газовых сопел системы ориентации (под флагом) до и после посадки показан на фото 2. Краска под соплами не облупилась потому, что используется энергия сжатого азота.

Рис. 2

Для посадки компания SpaceX арендует ДВА космодрома – базу ВВС на мысе Канаверал (LC-13) на восточном (Атлантическом) побережье и базу Ванденберг (SLC-4-West) на западном (Тихоокеанском) побережье. Соответственно и морские платформы используются ДВЕ, каждая из которых является переоборудованной баржей. Установленные на них двигатели и GPS-оборудование позволяют доставить их в необходимую точку и удерживать в ней, создавая устойчивую площадку для посадки, но на возможность безаварийной посадки влияет погода. SpaceX имеет две такие платформы, т.к. ширина платформ не позволяет им проходить Панамский канал от базы Ванденберг до мыса Канаверал.

Двигательный спуск всей первой ступени уменьшает МАКСИМАЛЬНУЮ полезную нагрузку ракеты-носителя на 30–40 %. Это вызвано необходимостью резервирования значительного количества топлива для торможения и посадки, а также дополнительной массой посадочного оборудования (посадочные опоры, решётчатые рули, система реактивного управления и прочее). Напомню, что ракеты не всегда стартуют со 100%-ной загрузкой, неполная загрузка есть практически всегда и составляет в среднем от 10 до 17%.

Вернемся к рассказу о технологии возвращения двигателей ракеты Vulcan. Технология посадки показана на рисунке 3.

Рис. 3.

Технология носит название Sensible, Modular, Autonomous Return Technology (SMART - в переводе с англ. умный, сообразительный). Маршевые и рулевые двигатели будут вылавливаться в воздухе, это самая дорогая часть первой ступени. План ULA заключается в том, чтобы нижняя часть ракеты отсоединялась после завершения работы первой ступени. Затем, используя надувную теплозащиту, она входит обратно в атмосферу. Раскроются парашюты, вертолёт подхватит блок с двигателями и приземлится с ним в любом удобном для этого месте – не нужны ни посадочные космодромы, ни плавучие баржи. В технологии SMART дополнительное посадочное оборудование, уменьшающее массу полезной нагрузки, состоит только из парашюта и надувной теплозащиты. Вертолетный подхват грузов, спускаемых на парашюте, распространенная технология в авиации и космонавтике. В мире выполнено около 2 миллионов таких операций, и они продолжают выполняться.

Рис.4

Рис. 5

Изготавливаемые ULA Delta 4 и Atlas 5 (Атлас 5 до сих пор летает на наших РД-180 и будет летать по крайней мере до 2019 года) модульные, Vulcan тоже будет модульным с различными размерами головных обтекателей или с дополнительными стартовыми ускорителями, что позволит при необходимости увеличивать производительность. Модульность отличает ULA от других игроков на американском рынке (наша Ангара тоже модульная): у SpaceX есть обычный Falcon 9 и планируемая тяжёлая версия, Arianespace может предложить лишь «Вегу» и «Союз», а градаций нет. «Вулкан» же будет доступен в 12 вариантах от среднего до тяжёлого класса. Ракета будет доступна с головными обтекателями диаметром либо четыре, либо пять метров. В первый вариант можно поставить до четырёх твердотопливных ускорителей, во второй — до шести. В последнем случае ракета станет аналогом тяжёлой модификации Delta 4.

Первый запуск Vulcan запланирован на 2019 год. Он будет осуществлён либо с помощью двух двигателей Blue Origin BE-4 на сжиженном газе, либо с помощью пары более традиционных керосиновых Aerojet Rocketdyne AR-1. Процесс создания довольно дорогой, поэтому ракета будет разрабатываться в несколько этапов. Речь идёт о миллиардах: конкретные цифры не называются, но исторически известно, что разработка нового ракетного двигателя обходится в 1 млрд долларов, а начало работы над новой ракетой — примерно в 2 млрд.

Источники:
https://geektimes.ru/post/248980/ и другие источники.